Métodos de prueba y soluciones para la sensibilidad de etiquetas RFID de ultra-alta frecuencia

　　Las etiquetas de ultra alta frecuencia se refieren a etiquetas RFID pasivas desde 840M hasta 960MHz. Las etiquetas de esta banda provienen del estándar EPCglobal Clase 1 Generación 2. Entre ellas, EPCglobal es la organización para los estándares de codificación electrónica de productos, y los estándares RFID de primera clase y segunda generación suelen abreviarse como C1G2. Esta norma especifica el protocolo de identificación por radiofrecuencia en el rango de ultra alta frecuencia de 860M-960MHz. Este protocolo cuenta con una respuesta lector-etiqueta a nivel de microsegundos y un mecanismo científico de prevención de colisiones que permite la lectura y escritura rápida de etiquetas a lo largo de decenas de metros. Idealmente, puede contar entre doscientos y trescientos estereotipos por segundo, con una distancia de lectura de unos 30 metros, que en su día fue muy considerada como el estándar para la logística inteligente de próxima generación. Posteriormente, la organización ISO aceptó esta norma y la trasladó a ISO 18000-6C. En los últimos años, China también ha innovado en esta tecnología, lanzando su propio estándar GB/T 29768, que especifica frecuencias en 840-845MHz y 920M-925MHz, evitando las bandas de servicio GSM adyacentes.

　　Actualmente, estos protocolos se denominan colectivamente RFID de ultra alta frecuencia (UHF) de 800-900 MHz. Estos protocolos heredan características como respuesta de alta velocidad, inventario rápido y largas distancias de lectura/escritura. El rendimiento de estos populares productos de protocolo es clave para su uso. Entre ellas, los sellos discográficos están en el centro de una feroz competencia. Las etiquetas RFID tienen un precio unitario relativamente bajo pero se utilizan en grandes cantidades, lo que exige más diseño y fabricación. Debido a defectos e inestabilidad en la tecnología de diseño de etiquetas y en los procesos de producción, las pruebas de rendimiento son esenciales para el control.

　　Sin embargo, dado que esta prueba de sensibilidad de etiquetas implica medición de RF sin contacto, es necesario superar varios desafíos técnicos. Este artículo se centra en introducir los métodos teóricos y los aspectos prácticos de estos métodos.

　　Método de prueba de sensibilidad para etiquetas RF de ultra alta frecuencia

　　Configuración básica

　　Las pruebas de etiquetas UHF suelen realizarse en cámaras anecoicas de microondas o cuartos oscuros, pero también pueden realizarse en semi-cuartos oscuros o en sitios de campo con menos interferencias. Sin embargo, dado que las etiquetas UHF tienen frecuencias relativamente altas y longitudes de onda de solo alrededor de 1/3 de metro, los requisitos para el tamaño de la cámara anecoica no son muy elevados, lo que las hace económicamente más fáciles de soportar. En cuanto a la configuración física de las pruebas de etiquetado, existen dos métodos principales: doble antena y simple antena. Para un rendimiento máximo, EPCglobal e ISO defienden el método de doble antena. Este método utiliza un par de antenas de polarización circular izquierda-derecha, una transmisora y otra receptora, logrando la máxima aislación de transmisión y recepción, permitiendo que el sistema de prueba transmita a alta potencia y reciba con alta sensibilidad, gestionando así etiquetas con menor sensibilidad. Por comodidad, un looper también se utiliza para combinar antenas duales en una configuración de antena única con dúplex transmisor/receptor. Debido a las características de reflexión de la antena, el rendimiento global del sistema es inferior al de las configuraciones de doble antena.

　　Figura 1 Diagrama esquemático de la configuración de prueba de etiquetas de doble antena

　　Indica la unidad

　　La sensibilidad de la etiqueta suele expresarse en términos de potencia o intensidad de campo. EPCglobal es más práctico, usando RIPTUT, que es la potencia de radiación unipolar recibida por la etiqueta. En pocas palabras, es la intensidad del campo RF a la que puede operar la etiqueta es la potencia recibida por una antena monopolo ideal. Su unidad es dBm.

　　La intensidad de campo de prueba ISO se expresa como la intensidad mínima requerida para que la etiqueta funcione correctamente. Su unidad es V/m.

　　Estos dos resultados de prueba pueden parecer diferentes, pero en realidad ambos se calculan utilizando la potencia transmitida por el probador.

　　La etiqueta EPCglobal recibe fórmula de cálculo de potencia monopolica:

　　RIP=EIRP-PL Fórmula 1

　　EIRP = P + GTx Fórmula 2

　　Donde EIRP es la potencia de radiación monopolo (dBm) equivalente del instrumento, PL es la pérdida de transmisión en espacio libre de la antena que transmite a la etiqueta (dB), P es la potencia de entrada de la antena transmisora (dBm) y GTx es la ganancia de la antena transmisora (dB).

　　Aquí, PRx es la potencia recibida, PTx es la potencia generada, Ae es el área de apertura equivalente de la antena y R es la distancia entre las antenas transmisoras y receptoras. Esta fórmula describe la relación entre la pérdida de transmisión en campo lejano y la distancia entre antenas monopolo ideales. A continuación, presentamos varios puntos típicos de frecuencia muestral con pérdida de transmisión en espacio libre a distancias típicas de prueba, medidas en dB.

　　Cabe señalar que los cálculos anteriores se basan en el modelo de onda esférica de campo lejano. Si la distancia de transmisión/recepción es demasiado corta, los resultados del cálculo se desviarán. EPCglobal especifica una distancia de 0,8 a 1 metro. La ISO 18046-3 especifica la distancia de prueba más cercana.

　　Aquí, R es la distancia de prueba y L es la longitud máxima del lado (diámetro) de la antena transmisora. A continuación, proporcionamos los requisitos ISO para distancias de prueba en tamaños y frecuencias típicas de antena.

　　Múltiples ítems de prueba

　　Distancia de conexión directa

　　En las pruebas de sensibilidad de etiquetas, la gente suele escuchar preguntas sobre la distancia de lectura/escritura de etiquetas. La distancia de lectura/escritura está relacionada con la sensibilidad de la etiqueta y la potencia de reflexión, pero en aplicaciones prácticas también se relaciona con el rendimiento del lector. Por lo tanto, en las pruebas, se asume que el lector/escritor transmite a 35 dBm de potencia a través de una antena monopolo ideal, logrando una distancia de lectura/escritura. Así que aquí está la pregunta: la etiqueta de ultra alta frecuencia tiene una distancia de lectura/escritura muy larga. ¿Deberíamos equipar una cámara de RF ultragrande? SenseTech no lo está. Medimos la potencia mínima de funcionamiento de la etiqueta bajo las condiciones de campo lejano mencionadas, restamos la ganancia de la antena transmisora y obtenemos la potencia de radiación monopolo equivalente EIRPTX. Luego, basándonos en el principio de que la atenuación de transmisión espacial es proporcional al cuadrado de la distancia, podemos estimar la distancia de lectura/escritura:

　　El alcance del enlace directo, también conocido como distancia de lectura, depende de la intensidad del campo requerida para la activación de la etiqueta.

　　Distancia de conexión inversa

　　La magnitud de la potencia reflejada de la etiqueta determina hasta dónde puede leer el lector, por lo que el rango de enlace inverso puede estimarse a partir de la potencia de reflexión de la etiqueta. La distancia de conexión inversa es la distancia a la que la potencia reflejada es leída por un lector con ganancia de antena de 5 dMil millones y sensibilidad de recepción de -70 dBm. El estándar EPCglobal [2] proporciona un método de cálculo, y los resultados suelen ser mayores que la distancia de conexión directa.

　　Aquí, EIRPTx0 es la potencia monopolo equivalente transmisora requerida para la sensibilidad de conexión inversa, definida como sensibilidad de conexión directa más 2dB; PRx0 es la potencia de reflexión de la etiqueta recibida bajo condiciones de transmisión EIRPTx0; GRx es la ganancia de la antena receptora.

　　Sensibilidad de diferentes modos de funcionamiento de etiquetas

　　El consumo de energía requerido para las etiquetas varía en los modos de funcionamiento de leer números ID, leer información de registros y escribir información de registros, lo que significa que la sensibilidad de estos tres modos es diferente. Esto da lugar a tres modos de prueba: reconocimiento, lectura y sensibilidad de escritura. La potencia mínima de operación, la intensidad mínima de campo, las distancias de lectura directa e inversa tienen indicadores en estos tres modos de funcionamiento, y cada uno es diferente.

　　EIRP y ERP

　　Entre muchos estándares, la potencia de transmisión monopolo equivalente es más común, pero también se utiliza ERP (ERP). En el estándar de State Grid Corporation publicado en 2013, ERP se refiere a la potencia de transmisión de una antena dipolo equivalente. La ganancia ideal de una antena dipolo es de aproximadamente 2,2, así que la diferencia entre ambos es solo una constante.

　　Ejemplos de parámetros

　　Asumimos que tanto la antena transmisora como la receptora tienen ganancias de 6 dBi, la distancia de prueba es de 1 metro, la ganancia de la antena de la etiqueta es de 2 dB y la pérdida de reflexión de la etiqueta es de 5 dB. Cuando el instrumento transmite a 915MHz y la potencia es PTx, la etiqueta recibe la potencia.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　Fórmula 11

　　Suponiendo que la potencia reflejada de la etiqueta sea un tercio de la potencia recibida, aproximadamente -5dB. La potencia recibida por el receptor probador es la siguiente:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　La Fórmula 12 calcula la potencia recibida por el chip y el receptor para diferentes potencias de transmisión según estas dos fórmulas:

　　En otras palabras, en condiciones ideales, la potencia reflejada de la etiqueta de ultra alta frecuencia recibida a una distancia de 1 metro es aproximadamente 62 dB menor que la potencia transmitida. Actualmente, las mejores etiquetas pueden alcanzar una potencia de apertura de alrededor de -18dBm, por lo que la señal de etiqueta recibida por el tester generalmente tiene una potencia superior a -47,4dBm. En la práctica, debido al diseño de la antena de etiquetas, su ganancia es menor que 2 o la atenuación causada por la adaptación de impedancias, resultando en una relación de reflexión de etiquetas de -5dB. Teniendo en cuenta estos factores, suponiendo que el impacto no supere los 10dB, la potencia recibida supera los -60dBm.

　　Por lo tanto, la prueba de sensibilidad de etiquetas RFID no requiere que el instrumento tenga una sensibilidad extremadamente baja como la de un lector; más bien, la precisión y la calibración de la prueba son los indicadores más críticos. En pocas palabras, un instrumento es una herramienta para mediciones precisas asegurando la transmisión de valores medidos. La comparación es precisa, a diferencia de la etiqueta medida que se centra en la sensibilidad y la distancia de lectura/escritura.

　　Ejemplo de prueba

　　El autor utilizó el tester RFID de segunda generación de Juxing Instruments para comprobar la sensibilidad de dos etiquetas de ultra alta frecuencia en un entorno de caja oscura. Una de las etiquetas probadas es EPC C1G2, y la otra es una etiqueta estándar nacional de 800/900MHz. Cada etiqueta se prueba 10 veces para obtener repetibilidad.

　　(a) La desviación estándar de la muestra EPCUHF < 0,04dBm

　　(b) Desviación estándar de la muestra estándar nacional < 0,07 dBm

　　Figura 2 Potencia mínima de apertura para la identificación de dos etiquetas

　　La Figura 2 muestra la curva de la prueba de repetibilidad. Donde (a) es el poder de reconocimiento de la etiqueta de muestra UHF EPCglobalC1G2, y (b) es el poder de reconocimiento de la muestra estándar nacional 800/900M. Se puede observar que en este conjunto de muestras, la etiqueta estándar nacional tiene mejor sensibilidad que la etiqueta EPC, y descubrimos que la etiqueta estándar nacional tiene mayor aleatoriedad en la capacidad de activarse a potencia crítica, por lo que su desviación estándar es ligeramente mayor que la de la etiqueta EPC. En resumen, este experimento demostró una repetibilidad del instrumento mejor que 0,1 dB. Normalmente, los testers de gama baja ensamblan usando chips lectores o tecnologías similares

　　La repetibilidad del equipo de prueba es muy inferior al rendimiento de este instrumento, lo que plantea problemas significativos con la precisión de la medición.

　　En cuanto a calibración de metrología, el sistema del Instituto Nacional de Metrología ya dispone de métodos e instalaciones de calibración RFID para pruebas, así como equipos para la medición de la ganancia de antena. El autor envió cuatro antenas de prueba RFID para su inspección y evaluar su ganancia, y las verificó mediante fuego cruzado con las antenas del laboratorio, logrando una consistencia y repetibilidad muy altas.

　　Resumen

　　La prueba de etiquetas RFID de ultra alta frecuencia es una prueba de alta precisión y trazable que se realiza mediante instrumentos y antenas de alta precisión, con calibración metróloga garantizada. El instrumento responde a la etiqueta de prueba mediante comandos de interfaz aérea, probando la potencia mínima de incidente y la potencia de reflexión de la etiqueta necesarias para el reconocimiento, lectura y escritura de la etiqueta a corta distancia. Luego, basándose en esta potencia mínima de funcionamiento, calcular la sensibilidad equivalente de la antena monopolo y la distancia de conexión directa; Calcula la distancia de conexión inversa en función de la sensibilidad a la potencia y la potencia reflejada.

　　EPCglobal e ISO tienen normativas diferentes respecto a las condiciones de prueba y las unidades de medición. EPCglobal utiliza potencia y distancia equivalentes, ISO utiliza la intensidad del campo y la tasa de cambio del área transversal del radar de reflexión. La primera se acerca más al escenario de uso, la segunda a principios físicos, pero en realidad, ambas son resultados calculados a partir de la misma medición de magnitud física, sin una ventaja o inferioridad clara.

　　Según diversas normas y especificaciones, la distancia de prueba para las etiquetas es mayormente dentro de 1 metro, con potencia de transmisión que oscila entre 0 y 30 dBm y la potencia de señal recibida mayoritariamente superior a -60 dBm.

　　En cuanto a instrumentos de medición, los instrumentos de alta precisión son fundamentales. La medición y calibración precisas, incluyendo la ganancia del transceptor RF y la antena, son clave para garantizar la precisión. Actualmente, los instrumentos de gama alta pueden alcanzar una precisión de medición de hasta 0,3dB, mientras que la repetibilidad puede ser superior a 0,1dB.